Imagine dois cardumes de peixes nadando em círculos no sentido horário e anti-horário. É o suficiente para fazer sua cabeça girar, e agora cientistas da Rutgers University-New Brunswick e da University of Florida descobriram o "modo de spin quiral" - um mar de elétrons girando em círculos opostos.

"Descobrimos um novo modo de rotação coletivo que pode ser usado para transportar energia ou informações com muito pouca dissipação de energia, e pode ser uma plataforma para a construção de novos dispositivos eletrônicos, como computadores e processadores, "disse Girsh Blumberg, autor sênior do estudo e professor do Departamento de Física e Astronomia da Rutgers 'School of Arts and Sciences.

Os modos de spin quirais coletivos são ondas de propagação de spins de elétrons que não carregam uma corrente de carga, mas modificam as direções de "rotação" dos elétrons. "Quiral" refere-se a entidades, como suas mãos direita e esquerda, que são correspondentes, mas assimétricos e não podem ser sobrepostos em sua imagem no espelho.

O estudo, liderado por Hsiang-Hsi (Sean) Kung, um estudante de pós-graduação no Rutgers Laser Spectroscopy Lab de Blumberg, foi publicado em Cartas de revisão física . Kung usou um modelo feito sob medida, espectrômetro ultra-sensível para estudar um isolador topológico 3D prototípico. Um modelo teórico microscópico que prevê a evolução de energia e temperatura do modo de rotação quiral foi desenvolvido por Saurabh Maiti e o professor Dmitrii Maslov na Universidade da Flórida, substanciando fortemente a observação experimental.

No vácuo, elétrons são simples, partículas elementares enfadonhas. Mas em sólidos, o comportamento coletivo de muitos elétrons interagindo entre si e com a plataforma subjacente pode resultar em fenômenos que levam a novas aplicações em supercondutividade, magnetismo e piezoeletricidade (voltagem gerada por meio de materiais colocados sob pressão), para nomear alguns. Ciência da matéria condensada, que se concentra em sólidos, líquidos e outras formas concentradas de matéria, busca revelar novos fenômenos em novos materiais.

Eletrônica baseada em silício, como chips de computador e computadores, são uma das invenções mais importantes da história humana. Mas o silício leva a uma perda significativa de energia quando reduzido. Uma alternativa é aproveitar os spins dos elétrons para transportar informações através de fios extremamente finos, o que, em teoria, reduziria a perda de energia.

O recém-descoberto "modo de rotação quiral" origina-se do mar de elétrons na superfície de "isoladores topológicos 3D". Esses isoladores especiais não têm magnetismo, material isolante com superfícies metálicas robustas, e os elétrons são confinados, de modo que se movem apenas em superfícies 2D.

Mais importante, os eixos giratórios dos elétrons são nivelados e perpendiculares à sua velocidade. Os modos de spin quirais emergem naturalmente da superfície de tais materiais isolantes, mas eles nunca foram observados antes devido a defeitos cristalinos. A observação experimental no presente estudo foi possível após o desenvolvimento de cristais ultra-limpos pelo aluno de doutorado da Rutgers, Xueyun Wang, e pelo professor Sang-Wook Cheong do Conselho de Administração, no Rutgers Center for Emergent Materials.

A descoberta abre novos caminhos para a construção de dispositivos eletrônicos de baixa perda de próxima geração.